放大線路交流信號的線性分析

　放大線路是非線性電路。因?yàn)闃?gòu)成其電路的電子元件是非線性元件。要用他對信號進(jìn)行不失真地放大，必須設(shè)置適當(dāng)?shù)墓ぷ鼽c(diǎn)，使電子器件工作在近似線性區(qū)域，這就決定了放大器的分析包括直流分析和交流分析。而非線性器件對直流信號和交流信號所呈現(xiàn)的性能不同，這就是放大器分析與一般線性電路分析的不同之處，當(dāng)對放大器進(jìn)行小信號分析時(shí)，其電路模型又是線性的。但電子器件的非線性對于放大器的分析卻一直起著重要的作用。

　　關(guān)鍵詞：放大線路;電子器件;線性;非線性

　　《電子技術(shù)基礎(chǔ)》是電子類專業(yè)一門重要的技術(shù)基礎(chǔ)課。模擬電路是學(xué)生難學(xué)、教師難教的一門課程。放大器是模擬電路的入門基礎(chǔ)，也是《電子技術(shù)基礎(chǔ)》的重點(diǎn)和難點(diǎn)，只有解決了這個(gè)難題，才能進(jìn)入電子技術(shù)的領(lǐng)域。筆者經(jīng)過教學(xué)實(shí)踐，逐漸形成了以非線性器件、線性器件與線性放大的主要矛盾，以線性非線性線性為主線，以直流分析和交流分析為主要內(nèi)容的放大器的分析思路和原則，較好地解決了從《電路》到《電子技術(shù)》的過渡，解決了電子技術(shù)入門難的問題。

　　1　從線性到非線性

　　電子線路是電路的一個(gè)分支，是包含有電子器件的電路，而電子器件是非線性器件，所以電子線路是非線性電路?！峨娐贰分幸话惆ǚ蔷€性電路一章，但內(nèi)容少，只是簡單介紹，沒有引起學(xué)生足夠的重視。所以《電子技術(shù)基礎(chǔ)》課一開始就要做好從線性電路到非線性電路的過渡。

　　《電子技術(shù)基礎(chǔ)》一開始就講PN結(jié)，PN結(jié)是半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)。在討論了PN結(jié)的工作原理，得到PN結(jié)的伏安特性后，就進(jìn)入了非線性：其伏安特性曲線為非線性函數(shù)。在這里首先要給出線性電阻的定義，引出直流(靜態(tài))電阻和交流(動態(tài))電阻的概念，對比線性電阻(伏安特性曲線為通過原點(diǎn)的一條直線，其直流電阻和交流電阻相等且為一常量)可得出如下重要結(jié)論：

　　(1)非線性元件在伏安特性曲線上任一點(diǎn)的直流電阻和交流電阻一般是不相等的。

　　(2)非線性元件的直流電阻和交流電阻不是一個(gè)常數(shù)，而是隨著靜態(tài)工作點(diǎn)的不同而變化。

　　PN結(jié)的正向電阻很小，而反向電阻很大。所以，往往把他的非線性概括為單向?qū)щ娦?。二極管就是一個(gè)PN結(jié)，三極管由2個(gè)PN結(jié)組成，當(dāng)他工作在放大狀態(tài)時(shí)，輸入特性相當(dāng)于PN結(jié)的正向特性，而輸出特性相當(dāng)于基區(qū)注入少數(shù)載流子控制下的PN結(jié)反向特性。

　　以上講的是電子器件的非線性，有了電子器件非線性特點(diǎn)，才有電子線路與一般線性電路的區(qū)別，才能理解放大器的工作原理、靜態(tài)工作點(diǎn)的設(shè)置及直流分析和交流分析的不同。

　　2　非線性帶來的放大線路的特點(diǎn)

　　非線性元件往往會產(chǎn)生新的頻率分量，也就是產(chǎn)生非線性失真。這就是電子線路必須考慮的首要問題。如果把交流信號直接加到三極管的發(fā)射結(jié)上(即不加靜態(tài)偏置)，則由于發(fā)射結(jié)的單向?qū)щ娦?，即便忽略了他的死區(qū)電壓和正向特性的非線性，也會產(chǎn)生嚴(yán)重的非線性失真，這樣只有正半周導(dǎo)通，而負(fù)半周是截止的(乙類工作狀態(tài))。只有將交流信號的中心位置沿電壓軸向上平移，即在發(fā)射結(jié)加正向偏壓，并使正向偏壓值大于交流信號的振幅值，才能使PN結(jié)在交流信號的正、負(fù)半周均導(dǎo)通(甲類工作狀態(tài))，才能得到不失真的放大，由此得到2條結(jié)論：

　　(1)為了克服PN結(jié)單向?qū)щ娦詭淼姆蔷€性失真，放大器在加入交流信號之前必須加上直流偏置信號。

　　(2)放大器線路中既有直流信號，也有交流信號; 2種信號的流通回路可能不同，即既有直流通路，又有交流通路;放大器中各處的電壓和電流既有直流分量，又有交流分量，即瞬時(shí)量等于直流量加交流量，這就決定了放大器的分析包括直流分析和交流分析2部分，直流分析是確定放大器的直流工作點(diǎn)，交流分析是計(jì)算放大倍數(shù)，輸入和輸出電阻、輸出功率和效率以及頻率響應(yīng)等性能指標(biāo)。直流信號與交流信號的通路不同，特別是非線性器件對直流信號和交流信號所呈現(xiàn)的性能不同(直流電阻和交流電阻)，所以直流分析和交流分析要采用不同的電路網(wǎng)絡(luò)和參數(shù)。這些往往被一些同學(xué)所忽略，應(yīng)特別引起注重。

　　3　微變信號的線性等效電路分析

　　對微變信號在放大器的分析方法中，把他變?yōu)榫€性電路的分析問題，這樣就完成了線性---非線性--- 線性的全過程。但這并不是回到了原來的地方去，而是有了一個(gè)質(zhì)的飛躍和提高。雖然放大線路的交流分析也是線性分析，但必須采用非線性器件在給定的靜態(tài)工作點(diǎn)上的交流參數(shù)，非線性的特點(diǎn)在這里仍然起作用，在很多電子線路中，就是利用電子器件的直流電阻和交流電阻不同這一特點(diǎn)的。利用這一概念可以理解和解釋很多電路的工作原理。例如，有源負(fù)載就是利用這一特點(diǎn)，在較低的直流電源電壓或較大的靜態(tài)工作電流的情況下，得到一個(gè)較大的交流等效電阻，在差動放大電路中，通過對長尾式差動放大器發(fā)射極電阻功能的分析，知道他能夠有效地減小共模放大倍數(shù)而對差模信號沒有任何影響，所以他越大越好，如果用線性電阻，在一定的工作電流下，選用大的電阻，就必須受到發(fā)射極直流電源電壓的限制，這樣，選用交流電阻很大而直流電阻很小的有源負(fù)載就是很自然。

　　4　結(jié)　語

　　《電路》課程中一般的線性電路分析，到電子器件的非線性，再到放大線路中交流信號的線性分析，至此，對放大線路分析的任務(wù)就基本完成了，因?yàn)殡娐肪褪怯呻娐吩?gòu)成的回路，分析電路就是先用電路元件的模型代替這些元件后，利用電路基本定律和基本分析方法，對由電路元件的模型構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)求解，電子線路與一般電路的惟一區(qū)別就在于他包含有電子器件?，F(xiàn)在，當(dāng)把電子器件也用他的電路模型代替后，電子線路也就變成了一般的電路，其分析也就變成了一般電路的分析，這樣講，是讓學(xué)生明白，電子線路是電路的一個(gè)分支，《電子技術(shù)基礎(chǔ)》是《電路》的延續(xù)和擴(kuò)展，其基本定律和分析方法是相同的，從而建立一個(gè)統(tǒng)一、完整的電路分析的概念。